W nowych badaniach opublikowanych w JACS AU naukowcy z Uniwersytetu Illinois Urbana-Champaign analizują wpływ rozpuszczalności i wartościowości jonowej na polimery metali, co ma wpływ na odzysk i recykling ważnych materiałów oraz rekultywację środowiska.
Profesor inżynierii chemicznej i biomolekularnej (ChBE). Xiao Su Kierował badaniami naukowymi leżącymi u podstaw selektywnych „preferencji” jednowartościowych i dwuwartościowych anionów w stosunku do polimerów redoks. Innymi słowy, dlaczego – gdy elektrody są pokryte folią polimerową redoks i przyłożony jest potencjał – jeden jon preferuje polimer redoks, a drugi nie?
„Pomysł jest prosty” – powiedział Su. „Kiedy przykładasz napięcie, wiążesz jon, a następnie chcesz mieć powierzchnię, która zapewni selektywność w kierunku pożądanego jonu. Następnie, przykładając przeciwne napięcie, możesz go zregenerować. Zatem masz powierzchnię, która jest całkowicie napędzany elektrochemicznie. Ekologiczny sposób separacji jonów „Wymaga zrozumienia, dlaczego jony wolą elektrodę w taki sposób, w jaki to robią”.
Zespół postawił hipotezę, że rozwiązanie odgrywa rolę w określaniu selektywności. Współpracując z Jimem Browningiem, Hanyu Wangiem i Mattem Doucetem z Oak Ridge National Laboratory, zespół wykorzystał reflektometrię neutronów (NR) do monitorowania pęcznienia warstw, a także ilości i rozkładu wody wchodzącej do polimeru po przyłożeniu potencjału. W tym przypadku wykorzystali dwie cienkie warstwy kopolimerów metali o aktywności redoks o różnych właściwościach hydrofilowych/hydrofobowych – poli(winyloferrocen) (PVFc) i poli(3-ferrocenylopropylometakryloamid) (PFPMAm) – i zajęli się oddzieleniem renu od molibdenu.
Do folii PVFc i PFPMAm w roztworze zawierającym ren i podobnym roztworze zawierającym molibden zastosowano szereg etapów potencjału redukcyjnego/utleniającego – przyłożono potencjały wystarczające do odpowiednio redukcji lub utlenienia folii. Śledzili pęcznienie za pomocą NR i elipsometrii spektroskopowej (SE), a do monitorowania zmiany masy netto na granicy faz wykorzystali elektrochemiczną mikrowagę z kryształu kwarcu (EQCM). Współpracownicy z Pacific Northwest National Laboratory, Manh Nguyen i Vanda Glizako, przeprowadzili obliczenia elementarnej dynamiki molekularnej (AIMD) — potężne narzędzie symulujące fizykę zachodzącą na elektrodzie.
Na miejscu wykorzystano NR, SE i EQCM, dając badaczom wyjątkową możliwość uzyskania wyraźniejszego niż kiedykolwiek wcześniej molekularnego obrazu zachowań.
„Neutrony odegrały kluczową rolę w śledzeniu ruchu wody w polimerach w rzeczywistych warunkach pracy” – powiedział dr Ricardo Candejo, ChBE. Student będący pierwszym autorem pracy. „Korzystając z wielu technik in situ i symulacji, uzyskaliśmy pełny obraz naszego systemu”.
Ich analiza wykazała, że folie PVFc i PFPMAm pęcznieją w obecności renu, anionu jednowartościowego, ale nie w obecności anionu dwuwartościowego molibdenu.
„Odkryliśmy, że rozpuszczalniki faktycznie odgrywają pewną rolę: PVFc, bardziej hydrofobowy polimer, preferuje anion mniej rozpuszczalnikowy – w tym przypadku ren” – powiedział Su. „A aniony dwuwartościowe, gdy się pojawią, w rzeczywistości mają tendencję do sieciowania elektrycznego membrany, przez co nie jest ona odnawialna. Zasadniczo folie te bardzo dobrze wychwytują jony o pojedynczym ładunku”.
Su powiedział, że ich odkrycia posłużą do opracowania lepszych systemów obejmujących separację jonów, takich jak recykling materiałów i odzysk metali. Na przykład ren jest metalem szlachetnym stosowanym jako katalizator i izotopem technetu – pierwiastka radioaktywnego, który trudno oddzielić od odpadów nuklearnych, dlatego wychwytywanie renu ma ogromne znaczenie w procesie recyklingu metali strategicznych. Jednak te zaawansowane metody charakteryzowania można również zastosować w przypadku szerszych klas polimerów, a nie tylko polimerów mineralnych, co oznacza lepsze systemy w procesach takich jak uzdatnianie wody i rekultywacja środowiska.
„To zrozumienie było możliwe tylko przy użyciu tych narzędzi i może dać nam dużo wiedzy” – powiedział Su. „Kiedy więc projektujemy systemy, które mogą wychwytywać jony o różnych ładunkach, a także jony o różnych właściwościach rozpuszczalności, może nam to pomóc w ustaleniu pewnych zasad projektowania. Ogólnie rzecz biorąc, jest to bardzo podstawowe badanie, ale ma ono wszechstronne zastosowania praktyczne w dół.”
Prace te zostały sfinansowane przez Biuro Podstawowych Nauk o Energii Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych w ramach programu separacji.
/Wydanie ogólne. Ten materiał od oryginalnej organizacji/autora(ów) może mieć charakter chronologiczny i został zredagowany pod kątem przejrzystości, stylu i długości. Mirage.News nie zajmuje stanowisk korporacyjnych ani stron, a wszystkie opinie, stanowiska i wnioski wyrażone w niniejszym dokumencie są wyłącznie opiniami autorów. Zobacz całość tutaj.
„Całkowity miłośnik kawy. Miłośnik podróży. Muzyczny ninja. Bekonowy kujon. Beeraholik.”
More Stories
Odkrywanie granic poszukiwań życia na Marsie
Czy zagadka pięknego, odwróconego drzewa została rozwiązana? Nowe badanie odkrywa tajemnicę Wiadomości wiedzy
Łazik NASA VIPER przygotowuje się do ostatecznego wyzwania kosmicznego